Glúcids i Carbohidrats: Estructura, Classificació i Funcions

Glúcids o Carbohidrats: Definició i Classificació

La major part dels glúcids són polihidroxialdehids o polihidroxicetones, o bé els produeixen en ser-ne hidrolitzats (fórmula general: (CH₂O)n).

Classificació dels Glúcids

• Monosacàrids: Una sola unitat de polihidroxialdehid (aldosa) o polihidroxicetona (cetosa).
• Oligosacàrids: 2-20 unitats. A partir de 3 unitats és habitual trobar-los units a proteïnes i lípids.
• Polisacàrids: Més de 20 unitats. Poden formar cadenes lineals o ramificades.

Isomeria dels Monosacàrids

El Gliceraldehid i la Dihidroxiacetona són isòmers estructurals (difereixen en la posició dels enllaços).

Isòmers Configuracionals (Estereoisòmers)

Els estereoisòmers tenen el mateix esquelet molecular, però es diferencien en la disposició absoluta dels seus àtoms en l'espai. No es poden interconvertir llevat que es trenqui algun enllaç covalent.

• Els àtoms de Carboni d'un sucre es numeren sempre començant per l'extrem més proper al del grup carbonil (aldehid o cetona).
• Un sucre serà D o L segons la configuració del centre quiral més allunyat del grup carbonil.

Monosacàrids: Aldoses i Cetoses

Els monosacàrids són sòlids, incolors, solubles en aigua i de sabor dolç.

• Segons el nombre de C (3, 4, 5, 6, 7) s'anomenen trioses, tetroses, pentoses, etc.
• Segons si és una aldosa o cetosa, s'anomenen aldotriosa, cetotetrosa, etc.

Si el sucre disposa de més d'un centre quiral (a partir de 4C, aldotetroses en endavant) hi pot haver diastereoisòmers (estereoisòmers on un no és la imatge especular de l'altre). Als diastereoisòmers se'ls adjudica nom propi.

Les cetotetroses i pentocetroses es designen inserint "ul" en el nom de l'aldosa (ribosa, ribulosa). Les cetoses de 6 o més C reben noms propis: Glucosa (aldosa C6) i Fructosa (cetosa C6). La immensa majoria de sucres que trobem en la natura són isòmers D.

Formació d'Hemiacetals i Hemicetals (Ciclació)

Les aldotetroses i tots els monosacàrids a partir de 5C poden adoptar estructures cícliques en solució aquosa. Té lloc una reacció química de tipus general entre el grup aldehid o cetona i algun dels hidroxils de la cadena per formar hemiacetals (aldoses) o hemicetals (cetoses). En els monosacàrids, hemiacetals i hemicetals són sempre intracatenaris, produint la ciclació del sucre.

La glucosa (aldohexosa) pot formar un enllaç hemiacetal amb el grup OH del C5 per formar una piranosa (anell de 6 àtoms). L'aldehid també pot reaccionar amb l'OH del C4 per formar una furanosa (anell de 5 àtoms).

La formació de l'hemiacetal (hemicetal en cetoses) dona lloc a un nou centre quiral (el carboni anomèric). Els isòmers que se'n deriven reben el nom d'anòmers. Es classifiquen com a α i β. Les formes hemiacetal i hemicetal es troben en equilibri amb la forma lineal. Així, les formes α i β poden interconvertir-se (mutarotació). (Exemple: 1/3 α i 2/3 β).

Resum d'Isometries

Isòmers Configuracionals

• Enantiòmers: Estereoisòmers que són imatges especulars l'un de l'altre. El C asimètric més allunyat de l'aldehid o cetona determina la designació D/L.
• Diastereoisòmers: Estereoisòmers que no són imatge especular l'un de l'altre.
• Epímers: Són diastereoisòmers que només difereixen en un centre quiral.
• Anòmers: Estereoisòmers que difereixen en la configuració del carboni anomèric.

Isòmers Conformacionals

Molècules amb la mateixa configuració estereoquímica, però que difereixen en la conformació tridimensional.

Els Monosacàrids com a Agents Reductors

Els ions Fe³⁺ i Cu²⁺ poden oxidar el grup aldehid o cetona, donant lloc a un grup carboxil. La Glucosa és un sucre reductor. La capacitat de la Glucosa i altres sucres per reduir Cu²⁺ a Cu⁺ és la base de la reacció de Fehling.

L'Enllaç O-Glicosídic

Un grup hemiacetal o hemicetal pot reaccionar novament amb un grup hidroxil per formar un acetal o un cetal. En el cas dels monosacàrids, aquest nou enllaç té lloc entre els grups de dues molècules diferents i forma un enllaç O-Glicosídic.

Quan el carboni anomèric reacciona donant lloc a l'enllaç O-glicosídic, el sucre ja no pot tornar a la forma lineal i, per tant, perd el seu poder reductor.

Molts disacàrids, oligo- i polisacàrids conserven un carboni anomèric en un dels extrems de la molècula. Aquest és un extrem reductor. Si la reacció és entre el C anomèric i l'OH d'un altre C anomèric, es forma un disacàrid no reductor (Exemple: Sacarosa).

Polisacàrids (Glicans)

Els polisacàrids són polímers de monosacàrids (més de 20 unitats) units per enllaços O-glicosídics. La major part dels glúcids es troba en forma de polisacàrids (o glicans).

Característiques Generals

• Homopolisacàrids: formats per un únic tipus de monòmer. Actuen com a reserva energètica (midó i glicogen) o en estructures de suport (cel·lulosa i quitina).
• Heteropolisacàrids: formats per més d'un tipus de monòmer. Participen en estructures de suport (peptidoglicà i glicosaminoglicà).
• Poden presentar ramificacions.
• No tenen massa molecular definida. La seva síntesi depèn d'enzims que van afegint monòmers sense motlle previ.

Midó: Amilosa i Amilopectina

El midó és el polisacàrid de reserva de les plantes. Està compost per dos tipus de polisacàrids:

• Amilosa: Cadenes llargues (10³ i 10⁶ kDa) i no ramificades de D-Glc (α1→4).
• Amilopectina: Cadenes ramificades d'alt pes (+10⁸ kDa) de D-Glc (α1→4). Cada 24-30 residus presenten una ramificació α1→6.

Estructura del Midó

L'estructura més estable per a l'amilosa és l'helicoidal (6 residus per volta), estabilitzada per interaccions febles (ponts d'H). Els filaments d'amilopectina formen una doble hèlix amb altres d'amilopectina o amilosa. L'amilopectina té més extrems NO reductors que reductors, la qual cosa facilita la seva hidròlisi per les amilases.

Glicogen

Polisacàrid de reserva de cèl·lules animals. Compost per un sol polímer, molt similar a l'amilopectina, però més ramificat (cada 8-12 residus). Forma grànuls que s'acumulen especialment en cèl·lules hepàtiques. Els grànuls contenen els enzims responsables de la seva síntesi i degradació. Les amilases també hidrolitzen el glicogen. El gran nombre d'extrems NO reductors facilita la ràpida obtenció de glucosa.

Avantatges de l'Emmagatzematge en Polímers

• Disminuir l'increment de pressió osmòtica.
• Igualar la concentració de glucosa intra i extracel·lular.

Cel·lulosa i Quitina

• Cel·lulosa: És un polímer no ramificat de glucosa amb enllaços β1→4. Cada polímer està compost per 10.000-15.000 monòmers. Dona lloc a fibres resistents i insolubles. La cel·lulosa forma fibres lineals degut a la conformació de l'enllaç glicosídic. L'estructura final està estabilitzada per ponts d'H que forma amb altres fibres, la qual cosa proporciona gran resistència a la tensió.
• Quitina: És un polímer similar a la cel·lulosa, però l'OH del C2 està substituït per un grup amino acetilat (N-acetil-glucosamina).

Glicoconjugats: Estructures Complexes

Glicosaminoglicans (GAGs)

Formen part de la matriu extracel·lular. Són heteropolisacàrids no ramificats constituïts per unitats repetides d'un disacàrid. Un dels dos monosacàrids és sempre GlcNAc. L'altre és un àcid urònic (GlcA o IdoA).

Alguns GAGs presenten OH esterificats amb grups sulfat, la qual cosa els confereix una càrrega negativa important i una conformació estesa.

• L'àcid hialurònic forma polímers molt llargs (50.000 repeticions) que s'uneixen electrostàticament a proteïnes.
• El sulfat de queratà i el sulfat de condroïtina formen polímers més curts i s'uneixen covalentment a proteïnes.
• L'heparina (Ido (α1→4)GlcNAcA) no té funcions estructurals. S'uneix per càrrega a la proteïna anticoagulant antitrombina III i estimula la seva activitat.

Proteoglicans

La unitat bàsica és una proteïna nucli a la qual s'uneixen de forma covalent un o més glicosaminoglicans. Molts proteoglicans s'excreten a la matriu extracel·lular, però d'altres són proteïnes integrals de membrana.

Els proteoglicans són components estructurals del teixit connectiu, on actuen com a "lubricants". En altres teixits, intervenen en l'adhesió de les cèl·lules a la matriu extracel·lular i interaccionen amb factors que estimulen la proliferació cel·lular.

Exemples de Proteoglicans

• Sindecà: Proteoglicà ancorat a la membrana. Sobre la proteïna nucli transmembrana (66 kDa) s'uneixen covalentment sulfat d'heparà i sulfat de condroïtina.
• Agrecà: Proteoglicà de la matriu extracel·lular del cartílag. La proteïna nucli (250 kDa) té nombroses molècules de queratà i de condroïtina unides de forma covalent a Serina. Centenars d'aquests complexos s'uneixen electrostàticament a la cadena d'àcid hialurònic per formar un complex gegantí (10⁸ Da). L'agrecà és capaç d'unir-se al col·lagen, formant una matriu molt resistent a la pressió i tracció.

Glicoproteïnes

Són conjugats de glúcids i proteïnes on el component glucídic està molt més diversificat que en el cas dels proteoglicans i no és un glicosaminoglicà. El glúcid és portador d'informació i representa entre l'1 i el 70% de la massa de la glicoproteïna.

La unió es pot fer mitjançant:

• Enllaços O-glicosídics: Entre el C-anomèric i els OH dels grups R de Serina (Ser) i Treonina (Thr).
• Enllaços N-glicosídics: Entre el C-anomèric i l'amida del grup R de l'Asparagina (Asn).

La major part de les proteïnes que se secreten fora de la cèl·lula estan glicosilades. La part glucídica s'afegeix entre el reticle endoplasmàtic i l'aparell de Golgi. La glicosilació és essencial per al processament, l'estabilitat i la destinació de la glicoproteïna. Una mateixa proteïna pot estar glicosilada de formes diferents.

Glicolípids

Exemples inclouen els glicoesfingolípids, que són lípids de membrana de cèl·lules eucariotes i participen en la senyalització cel·lular. Altres lipopolisacàrids (LPS) són també constituents molt importants de la membrana externa de bacteris Gram-negatius. Petites variacions de la seqüència de l'arbre glicosídic originen els diferents serotips.

Lectines: Reconeixement de Glúcids

Són proteïnes capaces de reconèixer i fixar glúcids amb elevada especificitat i afinitat. Participen en processos de reconeixement cel·lular i d'adherència.

• Selectines: Es troben a la membrana plasmàtica i intervenen en el reconeixement cel·lular.
• Molts patògens (virus i bacteris) utilitzen lectines per fixar-se sobre cèl·lules específiques.
• Les toxines secretades per patògens es dirigeixen a cèl·lules específiques perquè reconeixen arbres de glicosilacions presents en una línia cel·lular determinada.